稳定可靠的高光子能量发光(620~650 nm)红光荧光粉, 对于构建低色温、高显指荧光粉转换型白光发光二极管(WLED)至关重要。Mn ⁴⁺激活红光荧光粉是当前WLED用荧光粉研究热点之一。本文介绍了Mn ⁴⁺离子的能级跃迁与光致发光特性, 详细叙述了目前所报道的七种Mn ⁴⁺激活含d ⁰/d ¹⁰/s ⁰离子氧氟化物系列红色荧光粉(如Na₂WO₂F₄:Mn ⁴⁺等)的制备方法、晶体结构及其发光特性。目前Mn ⁴⁺在氧氟化物结构中得到强R线发光的情况少, 微观配位体仍是[MnF₆]或[MnO₆], 其化学稳定性和量子效率研究也很缺乏。最后对Mn ⁴⁺激活氧氟化物红光荧光粉的研究进行了展望。

智能场致变色材料是一类能在外场(电场、温度、光照、气氛)刺激下发生可逆光学变化的物质群。其中, 电致变色材料因其调节幅度大、响应速率快、着色效率高和循环稳定性好等特点,有望在智能窗、屏幕显示和多功能储能器件等领域得到广泛应用。相较于半固态电致变色器件难于封装以及有机电致变色材料易于变性失效, 无机全固态电致变色材料及其器件具有更好的综合应用性。本文聚焦典型无机全固态电致变色材料与器件, 综述了当前电致变色器件各结构层的制备途径, 并对比了其优劣性, 详细介绍了主要的电致变色备选材料及其关键性能评价指标, 并阐释了几种代表性电致变色器件的作用原理, 提出了使用兼具高透光率、低面电阻以及优异抗弯折性的透明柔性电极替代传统的刚性衬底以实现多场响应器件的应用拓展。最后, 从性能瓶颈、工艺难点及产业化机遇的角度对无机全固态电致变色器件的应用前景进行了展望, 为电致变色产业化进程提供了借鉴。

高熵陶瓷是一种新兴的近等摩尔多组元单相固溶体陶瓷材料, 特别是过渡金属碳化物、过渡金属硼化物等过渡金属非氧化物高熵陶瓷体系, 其具有超高硬度、低热导和抗腐蚀等优异的理化性能, 在航空航天、核能和高速切削加工等极端环境有着广阔的应用前景。目前, 高熵陶瓷材料研究尚处于起步阶段, 主要集中在成分设计、制备方法、单相形成能力和力学性能评价等方面, 设计依据和理论方面的研究还相对较少。本文从高熵效应和高熵合金出发, 综述了过渡金属非氧化物高熵陶瓷的制备、表征和理论研究进展, 同时介绍了部分相关的高熵陶瓷涂层研究现状, 总结并展望了非氧化物高熵陶瓷的未来前景和发展方向。

二维材料以其丰富多样的性能受到广泛关注。该类材料具有极高的比表面积, 可以作为光催化剂和电催化剂, 在环境领域和可再生能源领域具有较大的开发和应用前景。本文综述了三种新型二维材料的结构性能, 即二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)、类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)以及黑磷(BP)在光催化或电催化领域的研究进展及改性方式; 对二维材料催化性能的改性进行了总结, 并展望了今后的研究方向。

石墨相氮化碳材料作为一种重要的二维层状材料, 在光催化、能源存储和环境污染治理等领域引起了广泛关注。氮化碳基复合材料以其稳定的物理化学性质、低成本和环境友好等特点成为不同领域的研究热点。在过去几年中, 氮化碳及其氮化碳基复合材料的制备、性质表征和不同领域应用取得了重要进展。本文总结了近几年氮化碳基复合材料的制备及掺杂和功能化研究, 及其在重金属离子废水中的去除应用, 以及不同研究方法对吸附机理的分析。最后还总结了氮化碳基材料在未来研究和应用中面临的主要问题、挑战和机遇。

随着新能源汽车的加速发展, 镍钴锰/铝酸锂三元正极材料、特别是高镍(镍含量大于50%)材料作为后起之秀, 由于其性能和成本的综合指标优于传统的钴酸锂和磷酸铁锂, 引起了学术界和产业界极大的研究兴趣。但是受其本身晶体结构和表面结构的限制, 三元正极材料也存在安全性较差、循环稳定性不足等缺点。近年来, 科研工作者为解决这些问题、并进一步提升三元材料的性能, 在材料改性技术方面开展了大量工作, 取得了令人瞩目的研究成果。本文从改性元素对三元正极材料结构以及对电化学性能改善的机理出发, 介绍了包覆和掺杂两种改性技术的研究进展, 并在此基础上对三元正极材料的发展方向做出展望。

气体膜分离技术是过滤与分离工业的重要技术之一, 相比于传统分离技术更加高效、节能、环保。新型无机二维材料在分离膜领域的应用, 有望同时实现高选择性和高渗透率, 突破商业聚合物膜渗透率和选择性相互制约的瓶颈, 极大地促进高性能分离膜的发展。本文简述了膜的气体分离机制, 综述了石墨烯基、过渡金属硫族化物(TMDs)和二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)等新型无机二维材料近年来在气体分离膜领域的研究进展, 包括其设计、制造和应用, 探讨了不同材料分离膜的特点、面临的挑战和发展前景。此外, 本文对其他新兴二维材料——层状双氢氧化物(LDHs)、六方氮化硼(h-BN)、云母纳米片等的分离膜研究也进行了概述。最后, 对新型无机二维材料在气体分离膜领域的研究方向及面临的挑战作出了评价。

以石墨烯为代表的二维材料具有优异的本征性质, 例如高表面积和电导率, 但其宏观块体材料的性质仍不理想。这是由于石墨烯片层堆叠损失了有效的表面; 片层之间联结较弱导致接触电阻和热阻增大。原则上二维材料的三维化设计能避免上述问题, 将纳米尺度的优异性质传递到宏观尺度, 获得高表面积、高导电、贯通孔道和优良机械性能的块体材料。二维材料多孔块体可用于电极、吸附剂和弹性体等。发泡法工艺简单、成本低, 是近年来制备二维材料泡沫体的主要方法。本文系统总结了发泡法的基本原理, 综述了石墨烯、氮化硼等二维材料泡沫体的研究进展, 展望了二维材料泡沫体在能源、环境等方面的应用前景。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分, 目前商用锂离子电池的负极材料石墨的理论比容量仅为372 mAh/g, 严重制约了锂离子电池的进一步发展。在众多的锂离子电池负极材料新体系中, 金属氧化物具有理论比容量高、价格低廉、环境相容性好等优点, 受到广泛关注, 但是其存在导电性差、充放电体积变化大等缺点。研究发现, 纳米化可以在保持金属氧化物优点的同时克服其缺点, 因此成为金属氧化物基负极材料的研究热点。本文对近期纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料研究的主要成果进行综述, 着重关注几种具有代表性的金属氧化物及其复合物的纳米结构设计与性能优化, 并为后续相关研究提出建议。

基于电卡效应的固态制冷技术, 具有高效、环境友好、轻量、低成本和易于小型化等优点, 是替代传统压缩机制冷的理想技术之一。在施加或去除电场时产生较大极化变化的铁电材料, 则是制备基于电卡效应固态制冷器件的理想材料。近年来, 人类对环境可持续发展的需求, 使无铅块体陶瓷的电卡效应研究成为铁电材料领域的研究热点之一。本文首先回顾电卡效应研究历史上的标志性事件, 随后简要介绍电卡制冷的原理, 提出了在室温附近获得宽温区和大电卡温变的材料设计思路, 之后系统综述了BaTiO₃基、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基和K_0.5Na_0.5NbO₃基无铅块体陶瓷电卡效应的研究进展, 重点分析了这三类无铅块体陶瓷电卡效应的独特优势和面临的挑战, 最后对无铅块体陶瓷电卡效应的发展趋势进行了展望。

为了克服单纯BiOCl光谱吸收范围窄和载流子复合几率高的缺点, 本研究制备了一种具有高效光催化活性的碳量子点(CQDs)/BiOCl纳米复合材料。光催化降解罗丹明B染料实验表明CQDs/BiOCl纳米复合材料的光催化性能远优于单纯的BiOCl, 其光催化性能约为后者的3.4倍。当CQDs的复合量为7.1wt%时, 样品的光催化性能最佳, 能够在2 min之内将罗丹明B完全脱色, 而单纯的BiOCl在相同时间内对罗丹明B的降解率仅为29.5%。通过紫外-可见漫反射谱、光电化学测试以及自由基捕获实验揭示了CQDs/BiOCl纳米复合材料的光催化性能提升机理, 结果表明CQDs可以拓展BiOCl的可见光吸收范围, 这有利于增强其光捕获能力以及促进电子-空穴对的产生。除此之外, CQDs独特的上转换发光行为, 以及光诱导的电子转移能力提升了CQDs/BiOCl纳米复合材料光催化性能。

在锂离子电池的充放电过程中, 由锂离子扩散过程产生的浓度梯度和活性材料锂化膨胀产生的变形会导致扩散应力。过大的扩散应力会造成活性颗粒的破裂、活性颗粒之间的分离、活性层的断裂以及活性层与集流体的分层等多种力学失效形式, 并最终导致电池出现容量衰减、阻抗上升和寿命缩短等一系列失效现象。因此扩散应力及其诱导的锂离子电池失效机理已经成为锂离子电池研究领域的热点之一, 具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文尝试从活性颗粒、活性电极、半电池、电池单元和电池单体等不同尺度, 综述近年来与扩散应力诱导的锂离子电池失效机理相关的研究进展, 介绍各尺度下扩散应力的产生机制和研究手段, 分析扩散应力对电池力学和电化学性能的影响规律, 梳理和总结扩散应力的影响因素, 最后对该领域今后的研究方向与发展趋势进行了展望。

氮化硼气凝胶是一类以固体为骨架、气体为分散介质的, 具有三维多孔网络结构的新型纳米材料, 展现出高比表面积、高孔隙率、低密度等优异的性能。此外, 相比于石墨烯气凝胶, 氮化硼气凝胶拥有更好的绝缘性、抗氧化性、热稳定性和化学稳定性, 因此它在气体吸附、催化、污水净化、导热/隔热等领域极具应用前景。本文结合国内外研究现状, 重点介绍了硬模板法、软模板法、低维氮化硼组装法和无模板法制备氮化硼气凝胶的结构和性能特点, 总结了其在关键领域的重要应用, 并对其未来发展方向进行了展望。

光催化氧化法能够高效去除水体中的持久性有机污染物, 在污水净化领域展现出广阔的应用前景。本研究分别以尿素和双氰胺为原料, 采用冷干辅助热聚合法制备了还原性氧化物石墨烯/氮化碳(RGO/g-C₃N₄)二元可见光催化剂, 并对样品的形貌结构和光学性能进行了分析表征。结果表明, 二维层状g-C₃N₄与RGO在异质结界面上紧密的结合在一起。同时以内分泌干扰物双酚A (BPA)为降解污染物, 研究了不同催化剂在可见光下活化过硫酸盐去除BPA的活性。光催化实验结果显示, 在可见光(λ>420 nm)照射下, 加入氧化剂过硫酸盐(PS)作为电子受体, 有效地增强了光催化剂可见光降解BPA的活性。以尿素为原料制备的RGO/g-C₃N₄催化剂在40 min内几乎完全去除溶液中的BPA。经过5次循环反应后, 可见光照射40 min, 该催化剂对BPA的去除率仍能达到80%以上, 表现出良好的稳定性。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点, 有望减少二氧化碳排放量, 缓解能源危机, 在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好, 是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵, 导致PEMFC成本较高, 使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量, 提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性, 是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低, 抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性, 需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体, 进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质, 可以提高PEMFC性能和寿命, 引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述, 并对其发展趋势作出了适当评论。

第三代SiC纤维具有近化学计量比的元素组成和高结晶致密的特性, 与第一、第二代SiC纤维相比, 在耐高温、抗氧化、抗蠕变及抗辐射等性能上均有明显的提升, 因此在工程应用上尤其在核能领域拥有更明显的优势和更广阔的前景。本文对第三代SiC纤维的制备工艺、性能特点进行了介绍和比较, 综述了第三代SiC纤维在核能领域的应用, 并对其发展前景进行了展望。

本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代La_xSr_2-3x/2Fe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (La_xSFNM, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)钙钛矿陶瓷材料, 并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原La_xSFNM样品, 发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒, 并且偏析纳米颗粒的密度随着La ³⁺掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中, 随着La ³⁺掺杂量的增加, 阳极极化阻抗逐渐降低, 掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La_0.3SFNM对称电池在750 ℃下极化阻抗仅为0.16 W?cm ², 进一步增加掺杂量时, La_0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17 W?cm ²。La_0.3SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与La_xSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以La_xSFNM为阳极、SmBa_0.5Sr_0.5Co₂O₆为阴极、LSGM为电解质的单电池, 使用氢气作为燃料时, La ³⁺掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度, 在750、650和550 ℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52 W·cm ^-2。上述结果表明, La_0.3Sr_1.55Fe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。

随着电子技术的持续发展, 对供电设备的要求也相应提高。超级电容器(SCs)具有较高的能量密度和优异的功率输出性能, 是新一代小型化、智能化、可穿戴电子设备的理想供电装置。开发能够快速充放电、性能稳定的SCs产品是储能领域的研究重点。电极材料作为SCs最重要的组成部分, 是进一步提升其性能的关键。导电金属有机骨架(MOFs)作为新型SCs电极材料, 具有规整的孔道结构、大比表面积、多种形貌及维度、可调控的导电性能等优异性质, 展现出巨大的潜力并引起了广泛关注。本文结合SCs的储能机理, 介绍了导电MOFs的结构、制备及导电机制, 进一步阐述了其作为SCs电极材料的设计策略, 重点综述了其在SCs领域的研究进展, 并展望了其应用前景与发展方向。

金属有机框架(MOFs)材料在CO₂的捕获与分离方面受到广泛关注。本工作结合分子动力学(MD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法探究了一种MOFs材料DUT-49的负性气体吸附过程及结构转变对CO₂/N₂吸附分离行为的影响。结果表明: 在20~60 MPa的压强下, DUT-49均发生可稳定存在的结构变形, 实现开孔(DUT-49-op)和闭孔(DUT-49-cp)状态的转变。DUT-49气体吸附量随温度升高而下降。DUT-49-cp的框架收缩, 气体有效吸附位点减少, 吸附量明显降低。此外, 与DUT-49-op相比, DUT-49-cp中CO₂/N₂选择性明显降低, 且随温度升高而下降, 不利于气体分离。本工作的研究结果为吸附剂材料的开发提供了科学依据。

随着光伏智能电子产品日益融入到日常生活, 人们不仅对高性能光伏发电设备的需求增加, 同时对智能化、可持续和快速充电/放电能源集成设备的需求也急剧增加, 将能量产生部件和能量存储部件结合成独立设备已经成为一种极具有吸引力和挑战性的前沿技术。原位逐层制备光电转换功能薄膜与储电功能薄膜并组装, 获得光伏储电原位集成电池的技术, 既减少了太阳光波动对能量输出的影响, 又可以实现光伏自供电、弱光缓冲和可穿戴等功能, 因此具有良好的发展前景。本文综述了硅基光伏储电原位集成电池、敏化光伏储电原位集成电池、钙钛矿光伏储电原位集成电池的最新研究成果, 介绍了此类新型电池性能的评价方法, 分析了其工作原理、构造特点和性能参数, 并对此新兴研究领域的发展趋势进行了展望。

水解制氢是一种常温常压下的现场制氢方式。由于水解制氢材料氢含量高, 储存容易, 运输方便, 安全可靠, 一直受到研究者们的关注。本文综述了近年来水解制氢材料的总体发展情况, 介绍了三类主要的水解制氢材料, 包括硼氢化物(NaBH₄, NH₃·BH₃)、金属(Mg, Al)以及金属氢化物(MgH₂), 对不同材料的制氢原理、主要问题、催化剂与材料设计进行了详细介绍, 比较了不同体系的特点与制氢成本, 并对水解制氢及水解制氢材料的现状和商业化面临的困难做了评价, 最后对未来的发展方向进行了展望。

半导体光催化分解水被认为是解决全球能源短缺和环境污染问题的潜在途径之一。近年来, 磷烯(BP)由于具有带隙可调、空穴迁移率高、吸收光谱宽等特性而在光催化分解水方面得到了广泛关注。本文综述了国内外近年来在磷烯光催化分解水领域所取得的重要研究进展, 总结了磷烯基光催化剂的合成方法、表面修饰和异质结构构建等改性策略, 阐述了磷烯基光催化剂的构-效关系和电荷转移机制, 并展望了磷烯基光催化剂所面临的机遇和挑战, 揭示了磷烯基材料在太阳能利用和转化方面的重要应用潜力。

以碳纤维增强环氧树脂作为基体材料, 设计并制备了一种轻质、环保的隔热涂层。为解决基体材料与涂层之间热膨胀系数差别大导致易于开裂的问题, 同时实现具有高反射率和低热导率的目标, 通过添加聚氨酯、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃等填料制备连接层、阻隔层、反射层等三个不同功能层形成复合隔热涂层。通过优化涂层脱落时间、反射率、热导率等, 得到连接层、阻隔层、反射层最优厚度分别为80、120和90 μm。优化后的隔热涂层具有优异性能: 涂层的反射率高达0.95, 导热系数为0.048 W·m ^-1·K ^-1, 隔热温差为20.1 ℃; 耐热冲击性能良好, 190 ℃的最大失重率为3.7%, 并在随后保持稳定; 在160 ℃连续保温4 h后表面变黄, 但无明显脱落现象, 同时, 纳米填料颗粒保持原状态。

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要, 但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系, 本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂, 该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂, 本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性, 半波电势为0.86 V(vs RHE), 质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE), 极限电流密度为-4.3 mA·cm ^-2。同时, 电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE), 说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后, 材料的导电性有所提高, 并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀, 改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。

含油污水的治理已经成为世界性的难题, 如何有效分离油水混合物成为亟待解决的问题。本研究通过绿色环保、简单浸蘸的表面修饰法, 以三聚氰胺海绵(MS)作为基底材料, 选择氧化石墨烯溶液(GO)与聚四氟乙烯浓缩分散液(PTFE)的混合液对MS改性, 成功制备出性能优异的超疏水材料(GPMS)。采用X射线衍射仪(XRD), 热重分析仪(TG)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的GPMS进行结构、形貌和组分分析, 并对其表面浸润性、压缩循环性、选择吸附性能以及连续油水乳浊液分离性能进行了系统研究。结果表明, 制备的GPMS具有超疏水性(疏水角可达168°); 机械性能优越, 可以完成50次压缩循环实验; 能够选择性地吸附水上浮油与水下重油, 还可对油水乳浊液实现高效分离, 是一种具有实际应用价值的含油污水治理材料。

锌锰(Zn-MnO₂)电池具有高安全性、高环保性、高性价比的优点, 适用于大规模储能电池。然而, 金属锌负极在充放电中会因为“尖端效应”而产生锌枝晶, 造成电池容量衰减甚至短路失效。本研究通过添加亲水性纳米二氧化硅(SiO₂)和海藻酸钠(SA)将电解质转化为准凝胶电解质, 有效抑制了锌负极表面的枝晶生长, 以及由之造成的Zn-MnO₂电池性能衰减。恒流充放电测试结果表明, 采用准凝胶电解质的Zn-MnO₂电池在1800次循环后容量保留率可达78%, 而使用普通电解质的Zn-MnO₂电池在1000次循环后容量已基本衰减为0。进一步探究准凝胶电解质对锌沉积行为的影响, 发现准凝胶电解质的三维网络结构可以提高锌离子分布的均匀性, 降低电池容量衰减速度与失效风险。

半导体光催化技术具有低能耗和环境友好等优点, 在众多氮氧化物去除技术中具有较大的发展潜力。本研究在室温下成功制备了碳酸氧铋(Bi₂O₂CO₃, BOC)/聚吡咯(PPy)光催化剂, 并在可见光下对一氧化氮(NO)进行光催化氧化去除。可见光催化NO氧化性能测试结果表明, BOC复合PPy之后, 其NO去除率从9.4%提高到20.4%, 毒副产物NO₂的生成率从2%降到接近零。这是因为在BOC和PPy界面氢键作用下, 在BOC和PPy界面形成了氧空位。光电流和交流阻抗测试表明氧空位的形成改善了BOC光生载流子分离和迁移过程, 从而提高其光催化活性。此外, BOC/PPy光催化氧化NO机理分析表明, 氧空位促进O₂生成更多的•O₂ ^-, 进而与•OH共同作用, 提高BOC的NO氧化反应活性和安全性。

同步提升陶瓷材料强度及损伤容限是陶瓷发展的核心问题。一百多年前预应力技术大幅提高混凝土和玻璃的弯曲强度, 并在世界上广泛应用以来, 预应力增强陶瓷材料的设计就成为一个百年梦想。本文总结了增强陶瓷的国内外研究进展, 并提出了全新的高强度高损伤容限复合陶瓷的预应力设计及模型, 通过优化表面预应力设计, 在陶瓷构件表面能够形成一层高度压缩应力, 从而阻止裂纹扩展, 并抵消外加拉应力, 达到提高陶瓷的强度及损伤容限的目的。这种预应力设计理论和规程可应用到结构陶瓷、建筑陶瓷和日用陶瓷等不同领域, 具有明显的通用性和广泛性, 且简单、经济, 不受构件尺寸和形状的限制, 因此极具应用前景。

采用自组装及热处理方法合成α-MoC_1-x纳米晶富集的纳米碳球(α-MoC_1-x/CNS), 并将其涂覆在商用聚丙烯隔膜上, 对隔膜实现了界面修饰。电化学性能显示, 与普通的聚丙烯隔膜相比, 采用修饰的α-MoC_1-x/CNS-PP隔膜组装的锂硫电池的循环稳定性和倍率性能均得到明显提升, 在0.5C条件下, 电池首周放电比容量提升至1129.7 mAh/g, 经过100周充放电循环后, 电池仍具有855.5 mAh/g的放电比容量, 且在此循环过程中, 库伦效率始终大于98%。在自放电测试中, 电池经过48 h静置后的容量损失率仅为7.7%。结合α-MoC_1-x/CNS的微观形貌及XPS分析可知, 在锂硫电池充放电过程中, α-MoC_1-x/CNS修饰层有效地阻挡了多硫化锂向负极侧的扩散迁移, 且当α-MoC_1-x与多硫离子接触时能产生Mo-S键、硫代和连多硫酸根产物, 进一步巩固了活性物质被约束的程度, 从而使电池性能得到提升。

锂金属负极以其最高的理论比容量(3860 mAh·g ^-1)和最低的电化学电位(-3.04 V (vs SHE))被誉为电池界的“圣杯”。但是锂金属电池的缺点也尤为明显: 充放电过程中锂金属电池容易在负极不均匀沉积从而产生锂枝晶, 锂枝晶的产生会造成固体电解质介面(SEI)膜的持续破裂, 不稳定的SEI膜又会加剧锂枝晶的形成, 进而刺穿隔膜, 导致电池的循环性能下降, 产生安全隐患, 所以采取相应的措施在负极均匀沉积金属锂尤为重要。本研究使用商业化的铜网, 通过碱性溶剂的氧化和空气气氛煅烧, 在铜网表面形成均一的亲锂氧化铜纳米片阵列。铜网的3D结构可以有效减小电流密度, 亲锂的纳米片阵列可以降低锂的沉积过电势, 均匀沉积锂, 有效抑制锂枝晶的产生。在电流密度为3 mA·cm ^-2的半电池测试中, 稳定循环230圈后库伦效率稳定维持在99%以上; 搭配磷酸铁锂(LFP)全电池测试, 在1C(0.17 mA·mg ^-1)条件下可稳定循环300圈, 容量保持率为95%。本研究为锂金属负极3D集流体的设计提供了新思路。

碳捕获与封存技术是一种具有前景的CO₂减排策略。本工作采用巨正则蒙特卡洛模拟研究了温度为298 K、压强在0~5 kPa范围内三种混合超微孔材料SIFSIX-X-Cu(以SiF₆ ^2-排列, Cu为金属中心, X=2, 3, O)中CO₂/N₂吸附与分离的行为。结果显示, 相比于SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO₂在0.5 kPa就达到吸附饱和, 且在1 kPa下的吸附量分别达到了2.70与2.39 mmol·g ^-1。CO₂/N₂混合气体中CO₂的吸附量几乎没有下降。SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu具有接近于CO₂分子动力学直径的孔径, 对CO₂亲和力较大, 吸附热分别达到了59和66 kJ·mol ^-1。密度泛函理论分析发现, 在两种结构中每个孔隙只吸附一个CO₂分子, 且几乎处于孔道的中心。本工作为低压下吸附与分离CO₂的混合超微孔材料的开发提供了理论指导。

生物陶瓷支架具有良好的生物相容性和引导组织再生特性, 并可提供多孔的表面形貌和孔道结构, 以促进新生组织的长入, 在硬组织修复和骨组织工程支架领域获得了广泛的关注和临床应用。当前, 生物陶瓷支架仍然存在骨诱导活性差、生物功能单一、力学性能差等缺陷, 极大限制了它们的临床治疗效果和应用范围。本文从生物陶瓷支架的功能改性角度出发, 对材料实施表面功能涂层修饰、微纳结构改性、功能元素掺杂、力学增强等策略, 及其在改善植入体生物相容性、促进成骨活性、药物递送、抗肿瘤和抗菌等方面的应用进展进行了归纳和总结, 并对功能改性生物陶瓷支架的未来发展趋势作了展望。

乙烯是果蔬采摘后腐烂变质的主要因素, 如何减少或去除果蔬贮藏过程中释放的乙烯, 是果蔬保鲜领域亟待解决的问题。本工作采用溶胶-凝胶法制备了一系列金属泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜催化剂, 采用不同手段对样品进行表征分析, 并以此薄膜为催化剂, 考察紫外光下乙烯催化降解性能。结果表明: TiO₂/WO₃成功负载在泡沫镍网表面。TiO₂与WO₃复合后形成了异质结, 抑制了电子-空穴对的复合, 样品的禁带宽度减小, 吸光度增强, 光催化性能提升。TiO₂/WO₃在紫外光下展现出良好的光催化活性和光催化稳定性, 当WO₃占TiO₂质量百分数为6%时, 光催化活性最高, 光催化乙烯速率常数为0.0332 min ^-1, 是TiO₂的9.48倍, 但是过量的WO₃会成为电子-空穴的复合中心, 降低光催化活性。研究还对紫外光下泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜的光催化降解乙烯机理进行了探讨。

动态热机械分析仪(DMA)具有高灵敏度、卓越制冷技术、自由旋转测试头、多种形变模式和连续频率温度扫描模式等优点, 能表征材料在交变应力(或应变)作用下的应变(或应力)的响应、蠕变、应力松弛和热机械性能等, 广泛应用于塑料、热固性材料、复合材料、高弹性体、涂层材料、金属和陶瓷等材料的研究和评估。本文简要介绍了DMA进行动态力学行为分析的基本原理和方法, DMA在铁电相变、低频弛豫特性和铁电疲劳研究方面的应用, 以及DMA在铁电/聚合物复合阻尼材料研究中的应用。在对PZT陶瓷和单晶、BaTiO₃陶瓷等常用材料的铁电弛豫特性分析中, DMA表现出比介电表征更为敏感的特性。现在DMA已成为研究铁电材料的重要工具之一。

通过固相反应法合成一系列插层化合物Pd_xNbSe₂ (x=0~0.17)。它们与2H-NbSe₂相同, 属于六方晶格, 空间群为P6₃/mmc。Pd占据NbSe₂层间的八面体空位。随着Pd含量的增加, 晶格常数c线性增大, 而a几乎不变。X射线单晶衍射结果表明, Pd_0.17NbSe₂的晶格常数为a=b=0.34611(2) nm, c=1.27004(11) nm。每个Pd原子与六个Se原子键合形成[PdSe₆]八面体来连接相邻的Nb-Se层, 使晶体结构变得更加稳定, 从而提高化合物的热稳定性。电学测试表明, 随着Pd含量的增加, Pd_xNbSe₂的剩余电阻比减小。此外, 超导转变温度也随着Pd含量的增加而下降, 说明Pd的引入不利于NbSe₂的超导态。

为了研究混合相异质结对光催化的改性机理, 以五水硝酸铋、六水硝酸钕、偏钒酸钠为原料, 浓硝酸、氢氧化钠为调和剂, 水热合成不同浓度钕掺杂钒酸铋样品。X射线衍射和拉曼峰位分析发现, 钒酸铋呈现钕浓度依赖的单斜到四方相转变。采用扫描电子显微镜表征发现, 这种相变给样品形貌带来巨大变化。小于1at%钕掺杂单斜钒酸铋由不规则颗粒堆积而成, 大于7at%钕掺杂四方相由类似球状或凹槽表面果仁状构成, 而中间混合相由微米长方体棒状组成。规则形貌导致所有掺杂样品光催化降解罗丹明B效率高于无掺杂样品。高分辨透射电子显微镜和莫特-肖特基测试发现, 混合相中形成交错能带异质结, 进一步促进光生电-子空穴对分离并抑制其复合, 使得4at%钕掺杂样品具有99.4%降解效率。

重金属铬的污染会严重威胁到土壤和水体的环境安全, 而水中的六价铬化合物则具有很强的迁移性、富集性和氧化性等特性, 更具有危害性且难以处理。吸附法是一种能简单、高效地处理含重金属污水的处理技术。在磁力搅拌条件下采用花生壳生物炭分别与高岭土和膨润土混合制备而成两种生物炭-黏土材料, 并分别对这两种生物炭-黏土的表面特性进行表征。结果发现所选用的两种黏土均能不规则地负载在生物炭的表面。吸附实验结果显示, 生物炭-高岭土(Biochar@Kaolin)吸附铬(VI)的能力显著高于生物炭-膨润土(Biochar@Bentonite)。从吸附动力学方程的分析可以看出, 合成的两种生物炭负载黏土吸附水中的铬(VI)均符合伪二级动力学方程。从吸附等温线分析中可以得到, Biochar@Bentonite吸附铬(VI)的过程符合Langmuir模型, 而Biochar@Kaolin吸附铬(VI)的过程符合Freundlich模型。研究结果显示, 采用生物炭-黏土的复合材料修复环境中的重金属污染具有广阔的应用前景。

采用静电纺丝与高温煅烧相结合的方法, 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、九水合硝酸铁(Fe(NO₃)₃·9H₂O)和六水合硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)为原料, 制备出了类鱼骨结构的CoFe₂O₄纳米纤维, 并研究了煅烧温度对CoFe₂O₄纳米纤维形貌、磁性能以及微波吸收性能的影响。结果表明: 随着煅烧温度的升高, CoFe₂O₄纤维的结晶度和晶粒尺寸逐渐增大, 纳米纤维的表面形貌由光滑发展为粗糙多孔, 煅烧温度超过800 ℃时, 纳米纤维呈现类鱼骨结构; 随着煅烧温度增加纤维直径逐渐减小, 900 ℃煅烧的纤维平均直径为80.3 nm。所制备的纳米纤维经振动样品磁强计(VSM)测试结果表明, 饱和磁化强度(M_s)随着煅烧温度的升高而增加, 在900 ℃煅烧条件下纤维的M_s达87.13 A·m²/kg。矢量网络分析仪测试结果表明, 不同煅烧温度下纤维的微波吸收性能差异明显, 800 ℃下煅烧的纤维具有最佳的吸波性能。CoFe₂O₄纳米纤维通过磁滞损耗和涡流损耗机制吸收电磁波, 煅烧产生的孔洞和类鱼骨形貌有利于电磁波在孔道表面多次反射从而增加反射损耗。